DE3941553A1

DE3941553A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR CONTROLLING ELECTROMECHANICAL CONVERTERS

Info

Publication number: DE3941553A1
Application number: DE19893941553
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Amrhein
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1990-06-21
Also published as: DE3941495A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung elektromechanischer Wandler zwecks Erzeugung eines vorgegebenen Kraft- bzw. Drehmomentverlaufs, insbesondere zur Verminderung winkelabhängiger Drehmomentschwankungen in Elektromotoren, bei dem in einem Funktionsspeicher zeit- oder positionsabhängige (weg- bzw. drehwinkelabhängige) Datensätze gespeichert werden, die abhängig vom im Betrieb zurückgelegten Weg bzw. Drehwinkel oder zeitgesteuert abgerufen und in einer arithmetischen Schaltungseinheit mit einer Eingangsgröße zu Augenblickswerten verknüpft werden, und bei dem abhängig von den Augenblickswerten Spannungen oder Ströme mit entsprechender zeit- oder positionsabhängiger Kurvenform in die elektrischen Anschlüsse des Wandlers eingeprägt werden. Darüber hinaus ist eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The invention relates to a method for control electromechanical transducer for generation a given force or torque curve, especially to reduce angle-dependent torque fluctuations in electric motors, in which a function memory depending on time or position (path or angle of rotation dependent) data sets are saved depending on the operation traveled distance or angle of rotation or time-controlled retrieved and in an arithmetic Circuit unit with an input variable too Instantaneous values are linked, and at the depending on the instantaneous voltages or Currents with corresponding time or position dependent Waveform in the electrical connections of the converter. Beyond that an arrangement for performing such Process object of the present invention.

Eine wichtige Eigenschaft z. B. eines Elektromotors ist seine Rundlaufgüte (bzw. der gleichförmige Kraftverlauf eines elektromechanischen Wandlers). Sie beeinflußt sowohl die Genauigkeit als auch die Stabilität eines Antriebssystems. Um die störenden Drehmomentpulsationen bei Motoren unterdrücken zu können, bedarf es zunächst einer Lokalisierung der Ursache. Vier Faktoren sind im wesentlichen für die Drehmomentschwankungen verantwortlich:An important property e.g. B. an electric motor is its concentricity (or the uniform Force curve of an electromechanical transducer). It affects both accuracy and Stability of a drive system. To the distracting Torque pulsations in motors suppress too localization of the Reason. Four factors are essential for that Torque fluctuations responsible:

Bereits bei stromlosem Anker können bei Motoren mit permanentmagnetischer Erregung oder auch bei Motoren mit Eisenteilen hoher Remanenzinduktion, permanentmagnetische Drehmomentschwankungen entstehen, ausgelöst durch die Wechselwirkung zwischen den permanentmagnetischen Materialien und den Wicklungsnuten oder anderen ferromagnetischen Teilen. Eine Drehung des Rotors führt zu Schwankungen der Gesamtenergie des magnetischen Kreises und somit zu winkelabhängigen Drehmomenten mit wechselnd stabilen und instabilen Extremwerten.Even when the armature is de-energized, motors with permanent magnetic excitation or at Motors with iron parts with high retentive induction, permanent magnetic torque fluctuations occur triggered by the interaction between the permanent magnetic materials and the winding slots or other ferromagnetic parts. Rotation of the rotor leads to fluctuations in the Total energy of the magnetic circuit and thus too angle-dependent torques with alternating stable and unstable extreme values.

Im Gegensatz dazu resultieren die elektromagnetischen Drehmomentschwankungen aus der Wechselwirkung zwischen dem Ankerstrombelag und dem Magnetfeld. Die elektromagnetischen Schwankungen sind ein Resultat der speziellen Magnetfeldverteilung im Luftspalt, der Wicklungsanordnung sowie der Ankerstromkurvenform in Abhängigkeit vom Rotorwinkel. In contrast, the electromagnetic result Torque fluctuations from the interaction between the armature current coating and the magnetic field. The electromagnetic fluctuations are one Result of the special magnetic field distribution in the Air gap, the winding arrangement and the armature current waveform depending on the rotor angle.

Eine winkelabhängige Änderung der Motorinduktivität, wie sie beispielsweise bei ungleichförmigem Luftspalt, bei partieller Eisensättigung, bei einer bezüglich des magnetischen Leitwerts ungleichförmigen Materialverteilung und anderen Effekten auftritt, führt im Verein mit den Ankerströmen zu reluktanten Drehmomentschwankungen.An angle-dependent change in the motor inductance, as for example with non-uniform Air gap, with partial iron saturation, with one non-uniform in terms of magnetic conductance Material distribution and other effects occurs leads in conjunction with the armature currents to reluctants Torque fluctuations.

Drehmomentpulsationen im Motor können auch mechanische Ursachen haben. Die mechanischen Drehmomentschwankungen, wie wir sie der Einfachheit im folgenden nennen wollen, werden beispielsweise ausgelöst durch unsymmetrische Verspannungen der Motorwelle, wie Achsenversatz bei Kupplungen, exzentrische Lagersitze etc. Sie können auch von der mit dem Motor (oder allgemein Wandler) gekuppelten Last herrühren.Torque pulsations in the motor can also be mechanical Have causes. The mechanical torque fluctuations as we do the simplicity below want to name, are triggered, for example due to asymmetrical tension of the motor shaft, such as axis misalignment in couplings, eccentric Bearing seats etc. You can also use the Motor (or generally converter) coupled load come from.

In der Regel treten alle vier genannten Drehmomentschwankungsarten gemeinsam im Elektromotor auf, jedoch meist mit unterschiedlicher Größenordnung der einzelnen Komponenten. Es gibt Fälle, in denen einzelne Komponenten gegenüber den anderen vernachlässigbar sind.As a rule, all four types of torque fluctuation mentioned occur together in the electric motor, however mostly with different orders of magnitude individual components. There are cases where individual Components negligible compared to the others are.

Es sind bereits Anstrengungen unternommen worden, die Rundlaufgüte von Elektromotoren durch konstruktive Maßnahmen zu verbessern.Efforts have already been made the concentricity of electric motors through constructive Measures to improve.

Der Anteil der permanentmagnetischen Drehmomentschwankungen läßt sich beispielsweise durch die Verwendung einer eisenlosen Wicklung kombiniert mit einem ringförmigen Eisenrückschluß eliminieren (Beispiel: Glockenankermotoren). Bereits eine starke Reduktion wird erreicht durch die Schrägung des Eisenblechpakets, z. B. um eine Nutteilung sowie durch eine geeignete Gestaltung der Magnetform und der Nut-, Zahn- oder Polschuhgeometrie. Antriebsmotoren, die für stationäre Drehzahlen ausgelegt sind, werden häufig mit einer zusätzlichen Schwungmasse ausgerüstet (z. B. Plattenspieler).The proportion of permanent magnetic torque fluctuations can, for example, by the Use of an ironless winding combined with eliminate a ring-shaped iron yoke (example: Bell armature motors). Already a strong one Reduction is achieved by skewing the Sheet iron package, e.g. B. a groove division as well through a suitable design of the magnet shape and the groove, tooth or pole shoe geometry. Drive motors, designed for stationary speeds are often with an additional Flywheel equipped (e.g. turntable).

Die elektromagnetische Polfühligkeit läßt sich konstruktiv beispielsweise durch eine dem Luftspaltfeld und der Stromkurve angepaßte Wahl der Wicklungsauslegung günstig beeinflussen, und somit auch durch eine Schrägung der Nutteilung.The electromagnetic polarity can be constructively, for example, by an air gap field and the choice of the current curve Influence winding design favorably, and thus also by sloping the groove division.

Die reluktanten Drehmomentschwankungen lassen sich unter anderem durch Verwendung von rotationssymmetrisch angeordneten weich- und hartmagnetischen Werkstoffen stark reduzieren.The reluctant torque fluctuations can be among other things by using rotationally symmetrical arranged soft and hard magnetic Reduce materials significantly.

Diese bekannten konstruktiven Maßnahmen zur Verbesserung der Rundlaufgüte bzw. entsprechende Maßnahmen zum Erreichen eines gleichförmigen Kraftverlaufs eines allgemeinen, elektromechanischen Wandlers (z. B. Linearmotor, Lautsprecher o. dgl.) stoßen jedoch an Grenzen, ohne eine völlige Gleichförmigkeit zu erreichen. Darüber hinaus bedeuten solche konstruktiven Maßnahmen häufig eine Verteuerung der Konstruktion, zusätzliche Toleranzprobleme oder eine Verschlechterung der Daten solcher Elektromotoren oder Wandler.These known constructive measures for improvement the concentricity or corresponding measures to achieve a uniform force curve a general electromechanical transducer (e.g. linear motor, loudspeaker or the like) however, at limits without complete uniformity to reach. Beyond that mean constructive measures often an increase in the price Construction, additional tolerance problems or a deterioration in the data of such electric motors or converter.

Eine andere Möglichkeit, den Gleichlauf zu verbessern, ist die elektrische Kompensation der Drehmomentpulsationen. Im einfachsten Fall sorgt eine selbsttätige Regeleinrichtung für verbesserten Gleichlauf, Hochlauf oder Positionierung. Die an den Regler gestellten Forderungen nach adaptiven Regelparametern, Schnelligkeit und Stabilität lassen sich jedoch mit dieser Methode nicht immer zufriedenstellend erfüllen. Es bietet sich deshalb an, den Regler von der Ausregelung der Pendelmomente zu entlasten und die für konstantes Drehmoment erforderlichen Stromoberschwingungen nach einer Kennlinie zu erzeugen, die aus den Motordaten im voraus ermittelt wurden.Another way to improve synchronism is the electrical compensation of the torque pulsations. In the simplest case, one provides automatic control device for improved Synchronization, ramp-up or positioning. The on the controller demands for adaptive Control parameters, speed and stability However, this method cannot always be used satisfactorily. It therefore offers itself on, the controller from the regulation of the pendulum torques to relieve and that for constant torque required current harmonics to generate a characteristic curve from the motor data were determined in advance.

Eine bei bürstenlosen DC-Motoren häufig angewandte Methode ist die Variation des Verhältnisses von Ein- und Ausschaltbereich der Rechteckansteuerung. Durch eine entsprechende Wahl des Einschaltbereichs der verschiedenen Phasen wird eine verbesserte Gleichlaufcharakteristik erzielt (Literaturstellen 1 bis 3).One commonly used in brushless DC motors Method is the variation of the ratio of Switch-on and switch-off area of the rectangular control. By selecting the switch-on range accordingly the different phases will be improved Synchronization characteristics achieved (References 1 to 3).

Eine universelle und noch besser angepaßte Ansteuerung erhält man durch Superposition definierter Stromharmonischen (Literaturstellen 4 bis 9). Die erforderlichen Summenstromkurven können hierbei stark von einer Sinus- oder Rechteckform abweichen. Ohne äußere Eingriffe am Motor läßt sich hiermit rein elektronisch die Gleichlaufgüte erheblich verbessern. Dem Motorentwickler eröffnet sich nun die Freiheit, den Antrieb nach anderen Gesichtspunkten zu optimieren (z. B. günstigere Fertigungsmethoden). Nicht verschwiegen werden soll jedoch der hierfür nötige höhere Aufwand an Steuer- und Leistungselektronik. Die jüngsten Fortschritte in der Mikroelektronik und bei den Leistungstransistoren erleichtern heute die Realisierung solcher hochwertigen Servoantriebssysteme erheblich.A universal and even better adapted control you get more defined by superposition Current harmonics (references 4 to 9). The required total current curves can strongly of a sine or rectangular shape differ. Without external intervention on the engine herewith purely electronically the synchronization quality improve significantly. Opened to the engine developer now freedom, the drive to others Optimize aspects (e.g. cheaper Manufacturing methods). Not to be kept secret however, the higher effort required for this Control and power electronics. The youngest Advances in microelectronics and Power transistors make that easier today Realization of such high quality servo drive systems considerably.

Bisherige Arbeiten zu dem letztgenannten Themenkreis beschränken sich lediglich auf die elektronische Kompensation der elektromagnetischen Drehmomentschwankungen. Dies ist in der Regel für einen Elektroantrieb nur ausreichend, wenn das erzeugte Nutzdrehmoment sehr viel größer ist als die übrigen winkelabhängigen Störpulsationen. Im allgemeinen ist diese Voraussetzung nicht gegeben. Erwünscht ist hier vielmehr ein Antrieb, der über den gesamten Drehmomentbereich winkelunabhängig konstantes Moment liefert, d. h. eine gleichzeitige Reduktion permanentmagnetischer, elektromagnetischer, reluktanter und mechanischer Drehmomentschwankungen oder einer Auswahl aus diesen, falls eine oder mehrere Komponenten vernachlässigbar sind.Previous work on the latter topic are limited to the electronic one Compensation for electromagnetic torque fluctuations. This is usually for one Electric drive only sufficient if the generated one Useful torque is much larger than the rest angle-dependent interference pulsations. In general this requirement is not met. He wishes Rather, here is a drive that over Entire torque range independent of angle provides constant moment, d. H. a simultaneous Reduction of permanent magnetic, electromagnetic, reluctant and mechanical torque fluctuations or a selection from these, if one or more components are negligible.

Außerdem ist es aus der EP-A 1 80 083 bereits bekannt, ein definiertes winkelabhängiges Drehmoment durch entsprechende Ansteuerung mit Strömen besonderer Kurvenform zu erzeugen. Bei dieser bekannten Maßnahme werden jedoch nur reluktante Drehmomentschwankungen reduziert, und zwar auch nicht sehr weitgehend, da die verwendeten Ansteuerkurven symmetrisch trapezförmig oder sinusförmig mit abgeflachtem Maximalbereich ausgebildet sind.In addition, it is already from EP-A 1 80 083 known, a defined angle-dependent torque by appropriate control with currents to create a special curve shape. At this known measure, however, will only be reluctant Reduced torque fluctuations, and indeed not very largely because the used Control curves symmetrically trapezoidal or sinusoidal with flattened maximum range are trained.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Ansteuerung elektromechanischer Wandler zwecks Erzeugung eines vorgegebenen Kraft- bzw. Drehmomentverlaufs vorzuschlagen, bei dem alle, zumindest die wichtigsten und am stärksten in Erscheinung tretenden, sich auf den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf auswirkenden Komponenten sowie gegebenenfalls auch andere Störgrößen in anderen Richtungen berücksichtigt werden, um insbesondere eine gute Rundlaufgüte bei Elektromotoren zu erzielen, wobei hierzu keine konstruktiven Maßnahmen am Motor vorgenommen werden müssen.The present invention is based on the object a method and an arrangement for Control of electromechanical transducers for the purpose of generation a predetermined force or torque curve to propose where everyone, at least the most important and most apparent occur on the force or torque curve impacting components and, if necessary other disturbances in other directions be considered to be a good one in particular Achieve concentricity with electric motors, whereby no constructive measures on the engine must be made.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in dem Funktionsspeicher mehrere verschiedene, aus dem Kraft- bzw. Drehmomentverlauf des Wandlers und gegebenenfalls einer angeschlossenen Last ermittelte, verschiedene Einflüsse berücksichtigende Datensätze, insbesondere in Form von Tabellen, Vorschriften, Gleichungen oder Funktionen, gespeichert werden, daß diese Datensätze positionsabhängig (z. B. bei einem selbstgesteuerten Synchronmotor) oder zeitabhängig (z. B. bei einem Schrittmotor) aus dem Funktionsspeicher abgerufen und getrennt nach den Einflüssen satzweise mit mindestens je einer Eingangsgröße verknüpft werden, und daß diese so erhaltenen Verknüpfungsergebnisse zu den positions- bzw. zeitabhängigen Augenblickswerten zusammengesetzt werden.This task is initiated in a procedure mentioned type solved in that in the functional memory several different ones from the Torque curve of the converter and if necessary of a connected load, various Data records taking influences into account, in particular in the form of tables, regulations, Equations or functions that are stored that these data records are position-dependent (e.g. with a self-controlled synchronous motor) or time-dependent (e.g. with a stepper motor) from the Function memory accessed and separated according to the Influences in sets with at least one each Input variable are linked, and that this way obtained link results to the position or time-dependent instantaneous values will.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine entsprechende Anordnung, haben den Vorteil, daß sich ein einfacherer Aufbau des Wandlers bei geringeren Toleranzanforderungen ergibt, und daß sich im Falle der Verminderung der positionsabhängigen Kraft- und Drehmomentschwankungen bei Elektromotoren Geräuschminderungen ergeben und besondere Schwungmassen in den Antrieben entfallen können.The method according to the invention and a corresponding one Arrangement, have the advantage that a simpler construction of the converter with less Tolerance requirements arise, and that in the case the reduction of the position-dependent force and Torque fluctuations in electric motors result and special flywheels in the drives can be omitted.

Je nach der Motorbauart ist es zur Vereinfachung der Ansteuerung möglich, nur einige der Einflüsse auf den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf zu berücksichtigen. Bei einem elektromagnetischen Wandler werden jedoch vorzugsweise einer der Einflüsse a), c) oder d) oder wenigstens zwei der nachfolgenden Einflüsse berücksichtigt:Depending on the engine design, it is for simplification of control possible, only some of the influences to take into account the force or torque curve. With an electromagnetic transducer however, one of the influences a), c) or d) or at least two of the following Influences considered:

a) electromagnetic influences,
b) reluctant influences,
c) permanent magnetic and mechanical influences,
d) mechanical influences (in the converter and if necessary also the connected one Load).

Haben einer oder mehrere der Einflüsse bei der entsprechenden Wandlerbauart nur einen geringen Einfluß auf den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf, so können diese dann unberücksichtigt bleiben.Have one or more of the influences in the corresponding converter type only a small one Influence on the force or torque curve, see above these can then be disregarded.

Um auch in anderen Richtungen als die Nutzkraft oder das Nutzdrehmoment auftretende Störkräfte kompensieren zu können, hier sind bei Rotationsmotoren besonders die radialen und die axialen Störkräfte zu erwähnen, kann dies durch Einprägung von zusätzlichen, speziellen Spannungs- oder Stromkomponenten berücksichtigt werden.To also in other directions than the useful power or the interference torque occurring to be able to compensate, here are with rotary motors especially the radial and the axial Mentioning disturbing forces can be done by imprinting of additional, special voltage or current components be taken into account.

Die den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf des Wandlers und gegebenenfalls der Last berücksichtigenden Datensätze können entweder aus den gegebenen Konstruktions- und Materialdaten berechnet werden, oder sie werden aus an einem Muster gemessenen Parametern und/oder Kennlinien indirekt berechnet. Im ersten Fall ist weder ein Prüfstand erforderlich noch sind sonstige Messungen erforderlich. The force or torque curve of the converter and, if applicable, the load Records can either be given from the Design and material data are calculated, or they are measured out on a sample Parameters and / or characteristic curves calculated indirectly. In the first case, neither a test bench is required other measurements are still required.

Es ist jedoch auch möglich, die den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf des Wandlers und gegebenenfalls der Last berücksichtigenden Datensätze durch Meßläufe zur Optimierung zwecks Erreichens des beliebig vorgegebenen Kraft- bzw. Drehmomentverlaufs eines Musters auf einem Meß- und Prüfstand zu ermitteln. Für diese Lösung ist zwar ein Prüfstand erforderlich, sie ermöglicht jedoch unabhängig von Herstellungs- und Materialtoleranzen einen individuellen Feinabgleich, was durch Berechnungen nicht möglich ist. Für diese Lösung gibt es zwei Verfahren, und zwar das direkte (Messen, Ermittlung der Datensätze, Betrieb des Wandlers mit den Datensätzen) sowie das iterative Verfahren, bei dem den Schritten des direkten Verfahrens sich die erneute Messung, die Korrektur der Datensätze und der Betrieb des Wandlers mit den korrigierten Werten anschließt, wobei diese anschließenden Schritte beliebig oft wiederholt werden.However, it is also possible for the force or Torque curve of the converter and if necessary records taking into account the load Measuring runs for optimization in order to achieve the any given force or torque curve a sample on a measuring and test stand determine. There is a test bench for this solution required, but enables regardless of Manufacturing and material tolerances individual fine-tuning, what through calculations not possible. There are two for this solution Procedure, namely the direct (measuring, determination of the data sets, operation of the converter with the data sets) and the iterative process in which the Steps of the direct procedure itself Measurement, correction of the records and the Operation of the converter with the corrected values connects, taking these subsequent steps can be repeated any number of times.

Eine zweckmäßige Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Funktionsspeicher mit je einem Speicherabschnitt pro zu berücksichtigendem Einfluß zur Speicherung des zugeordneten Datensatzes, eine arithmetische Schaltungseinheit zum Verknüpfen von aus den Speicherabschnitten ausgelesenen Datensätzen mit je mindestens einer Eingangsgröße und zum Zusammenfassen der Verknüpfungsergebnisse zu Augenblickswerten, einen dem elektromechanischen Wandler zugeordneten Positions- oder Zeitgeber zur Steuerung des positions- oder zeitabhängigen Auslesens der Daten im Funktionsspeicher, und einen Leistungssteller zum Einprägen von Spannungen oder Strömen in die elektrischen Anschlüsse des Wandlers entsprechend den Augenblickswerten. A convenient arrangement for carrying out the The method according to the invention is characterized by a functional memory with one each Storage section per influence to be considered to save the assigned data record, a arithmetic circuit unit for linking data records read from the memory sections with at least one input variable and to summarize the link results Current values, one electromechanical Position or timer assigned to transducers Control of the position or time dependent Reading out the data in the functional memory, and one Power controller for impressing voltages or Pour into the electrical connections of the converter according to the instantaneous values.

Handelt es sich um einen mehrphasigen Wandler, z. B. einen mehrphasigen Elektromotor, so können für jede der einzelnen Phasen Datensätze abgespeichert und hieraus entsprechende Augenblickswerte abgeleitet werden, wobei für jede der einzelnen Phasen entsprechende Funktionsspeicher, arithmetische Schaltungseinheiten und Leistungssteller bzw. entsprechende Abschnitte, vorgesehen sind, oder diese im Zeitmultiplex betrieben werden. In einem solchen Fall können Unsymmetrien und andere Abweichungen zwischen den einzelnen Phasen des Wandlers berücksichtigt werden. Eine einfachere Lösung besteht jedoch darin, wenn für alle Phasen gemeinsame Datensätze abgespeichert sind und entweder für die einzelnen Phasen diese Datensätze phasenversetzt ausgelesen und durch die arithmetischen Schaltungseinheiten zu Augenblickswerten für die einzelnen Phasen verknüpft werden, oder daß aus diesen gemeinsamen Datensätzen gemeinsame Augenblickswerte abgeleitet werden und eine Phasenschiebereinheit vorgesehen ist, die aus den gemeinsamen Augenblickswerten die um die entsprechenden Phasenwinkel verschobenen Augenblickswerte für alle Phasen ableitet. Diese letztere Lösung erfordert einen geringeren Aufwand, kann jedoch Unsymmetrien zwischen den einzelnen Phasen nicht berücksichtigen wie die erste Lösung.Is it a multi-phase converter, e.g. B. a multi-phase electric motor, so for each of the individual phases data records are saved and corresponding instantaneous values are derived from this be, with corresponding for each of the individual phases Functional memory, arithmetic circuit units and power controller or corresponding Sections are provided, or these in Time division multiplex operated. In one Falling asymmetries and other deviations between the individual phases of the converter be taken into account. An easier solution consists, however, if common for all phases Records are stored and either for the individual phases of these data sets are out of phase read out and by the arithmetic Circuit units for instantaneous values for the individual phases are linked, or that from common values for these common data sets be derived and a phase shifter unit is provided from the common Instantaneous values around the corresponding Phase angle shifted instantaneous values for all Phases. This latter solution requires less effort, but can create asymmetries do not take into account between the individual phases like the first solution.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention further subclaims can be found.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments with reference to the attached Drawings explained in more detail.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines permanentmagneterregten Synchronmotors; . Figure 1 shows the equivalent circuit of a permanent magnet synchronous motor;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Ermittlung der Phasenströme für den Elektromotor zwecks Reduktion der elektromagnetischen Drehmomentschwankungen; Fig. 2 is a flowchart for determining the phase currents for the electric motor for the purpose of reducing the electromagnetic torque fluctuations;

Fig. 3 eine Darstellung der induzierten Spannung in einer Phase eines vierphasigen Motors in normierter Form; Figure 3 is a representation of the induced voltage in one phase of a four-phase motor in normalized form.

Fig. 4 das Schaltbild einer Einrichtung für die direkte Messung des Stillstandsmoments eines Mustermotors; . Figure 4 shows the diagram of a device for the direct measurement of the stall torque of a specimen engine;

Fig. 5 das Schaltbild für eine indirekte Messung des Stillstandsmoments eines Mustermotors; Fig. 5 is a circuit diagram for an indirect measurement of the stall torque of a specimen engine;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur iterativen Bestimmung der Phasenströme für die Reduktion der permanentmagnetischen und mechanischen Drehmomentschwankungen eines Motors, aufgeteilt in drei Teile (Fig. 6a, 6b und 6c); Fig. 6 is a flowchart for the iterative determination of the phase currents for the reduction of the permanent magnetic and mechanical torque ripple of a motor is divided into three parts (Fig. 6a, 6b and 6c);

Fig. 7 eine Darstellung der nach dem Flußdiagramm der Fig. 6 iterativ ermittelten Stromkurve für eine Phase in normierter Form; FIG. 7 shows a representation of the current curve determined iteratively according to the flow diagram of FIG. 6 for a phase in standardized form;

Fig. 8 eine Darstellung der permanentmagnetischen und mechanischen Drehmomentschwankungen des Prüfmotors im Stillstand vor einer elektronischen Korrektur (ohne Reibungsmoment); Fig. 8 is an illustration of the permanent magnetic and mechanical torque fluctuations of the test engine at a standstill in front of an electronic correction (without friction torque);

Fig. 9 eine Darstellung der Drehmomentschwankungen ähnlich wie in Fig. 8, jedoch nach der elektronischen Korrektur; 9 is an illustration of the torque fluctuations similar to Figure 8, but after the electronic correction..;

Fig. 10 das Blockschaltbild in vereinfachter Darstellung einer Anordnung zur Ansteuerung eines elektromechanischen Wandlers in Form eines Elektromotors und Fig. 10 shows the block diagram in a simplified representation of an arrangement for controlling an electromechanical converter in the form of an electric motor and

Fig. 11a-c Darstellungen der Phasenstromkurven des Prüfmotors im stromlosen Zustand, bei einem Strom von 0,1 A bzw. bei einem Strom von 0,5 A. Fig. 11a-c representations of the phase current curves of the test engine in the currentless state, at a current of 0.1 A and with a current of 0.5 A.

Unter dem Begriff "elektromechanischer Wandler" sind beliebige Wandler zu verstehen, die aus einem elektrischen Strom oder einer Spannung eine mechanische Wirkung hervorrufen oder umgekehrt, z. B. elektromagnetische Wandler, piezoelektrische Wandler, Elektretwandler, Thermowandler. Von besonderer Bedeutung sind rotierende Elektromotoren und Generatoren (ideale Bremse) sowie Linearmotoren, aber auch Lautsprecherantriebssysteme, Relais, Stellglieder und Zugmagneten.Under the term "electromechanical converter" are any transducers to understand, which from a electrical current or voltage a cause mechanical effect or vice versa, e.g. B. electromagnetic transducer, piezoelectric Converters, electrical converters, thermal converters. From Rotating electric motors are of particular importance and generators (ideal brake) as well as linear motors, but also loudspeaker drive systems, Relays, actuators and pull magnets.

Da auch das mechanische Verhalten von mit den Wandlern gekuppelten Lasten (z. B. rotierende und allgemeine Hebel- und sonstige Getriebe) den Kraft- oder Drehmomentverlauf beeinflussen, können auch diese in Kombination mit den Wandlern berücksichtigt werden. Since the mechanical behavior of the Transducers coupled loads (e.g. rotating and general lever and other gears) the power or influence the torque curve can also this is taken into account in combination with the converters will.

Auch können sich Kraftschwankungen in anderen Richtungen als die Nutzkraft oder das Nutzmoment auswirken und werden bei Bedarf berücksichtigt. Dies gilt z. B. für axiale oder radiale Störkräfte in rotierenden Wandlern, die sich nicht direkt, sondern indirekt auf das Betriebsverhalten auswirken oder zusätzlichen Verschleiß oder Geräusche verursachen.Force fluctuations can also occur in others Directions as the useful force or the useful moment impact and will be taken into account if necessary. This applies e.g. B. for axial or radial interference forces in rotating transducers that are not directly but have an indirect impact on operational behavior or additional wear or noise cause.

Zunächst sollen anhand des elektrischen Ersatzschaltbilds nach Fig. 1 das Drehmoment bzw. die Drehmomentschwankungen aus der Motorenergiebilanz hergeleitet werden. Die Drehmomentgleichung für das Ersatzschaltbild nach Fig. 1 lautet wie folgt:First, the torque or the torque fluctuations are to be derived from the engine energy balance using the electrical equivalent circuit diagram according to FIG. 1. The torque equation for the equivalent circuit diagram according to FIG. 1 is as follows:

Hierbei sind
T das resultierende Drehmoment,
T _r die Summe aus den permanentmagnetischen und den mechanischen Momentenschwankungen,
E die induzierte Phasenspannung,
I der Phasenstrom,
L die Motorinduktivität,
ω die Rotorwinkelgeschwindigkeit,
δ der Rotorwinkel,
m die Phasenzahl und
i, k Laufvariable für die Motorphasen.Here are
T the resulting torque,
T _r the sum of the permanent magnetic and mechanical torque fluctuations,
E the induced phase voltage,
I the phase current,
L the motor inductance,
ω the rotor angular velocity,
δ the rotor angle,
m the number of phases and
i, k run variable for the motor phases.

Wie man aus der Drehmomentgleichung erkennen kann, trägt die Stromänderungsgeschwindigkeit nicht zur Drehmomentbildung bei. Das Gesamtdrehmoment besteht aus vier Anteilen:As you can see from the torque equation does not contribute to the rate of current change Torque formation at. The total torque exists from four parts:

a) the electromagnetic component,
b) the reluctant component,
c) the permanent magnetic component and
d) the mechanical component.

Der erste Term der Drehmomentgleichung beinhaltet den elektromagnetischen Drehmomentanteil. Er wird bestimmt durch die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Spulenflüssen und den zugehörigen Ankerströmen. Der elektromagnetische Anteil besteht aus einem konstanten Nutzmoment sowie einem überlagerten Pulsationsmoment.The first term of the torque equation includes the electromagnetic torque component. He will determined by the interaction between the magnetic Coil fluxes and the associated armature currents. The electromagnetic part consists of a constant useful torque as well as a superimposed one Pulsation moment.

Der zweite Term aus der Drehmomentgleichung beschreibt das Reluktanzmoment. Eine winkelabhängige Änderung der Motorinduktivität, wie sie beispielsweise bei ungleichförmigem Luftspalt auftritt, führt im Verein mit den Ankerströmen zu einem resultierenden Moment, welches abhängig von der Speisung und Konstruktion aus einem konstanten Nutzmoment und Pulsationsmoment besteht. The second term from the torque equation describes the reluctance moment. An angle-dependent Change in the motor inductance, such as, for example occurs with a non-uniform air gap, leads in combination with the armature currents to a resulting Moment, which depends on the supply and construction from a constant useful moment and pulsation moment exists.

Der dritte Term aus der Drehmomentgleichung zeigt den permanentmagnetischen und den mechanischen Anteil. Dieser erzeugt aufgrund der Wechselwirkung zwischen Ankernuten und Permanentmagneten Rastmomente und somit störende Pulsationen. Die Größe dieser vier Komponenten wird durch das Prinzip und die Motorkonstruktion beeinflußt.The third term from the torque equation shows the permanent magnetic and the mechanical Proportion of. This creates due to the interaction locking moments between armature grooves and permanent magnets and therefore disturbing pulsations. The size of these four components is governed by the principle and affects the engine design.

Isoliert man den elektromagnetischen Drehmomentanteil aus der Drehmomenthauptgleichung (1-15) von den übrigen Komponenten, so ergibt sich:Isolating the electromagnetic torque component from the main torque equation (1-15) of the other components, we get:

Zur gewünschten BedingungOn the desired condition

T _el = const. (2-2) T _el = const. (2-2)

sollen nun die Beziehungen für die erforderlichen Phasenströme hergeleitet werden.are now supposed to be the relationships needed Phase currents are derived.

Das Gleichungssystem (2-1 . . . 2) ist in seiner bisherigen Form unterbestimmt. Eine zweckmäßige Zusatzbedingung kann aufgestellt werden. Hier wurde die Forderung nach minimalen Wicklungsverlusten gewählt:The system of equations (2-1... 2) is in its previous form undefined. A practical one Additional conditions can be set up. Here was the requirement for minimal winding losses chosen:

Zur Lösung dieser Extremwertaufgabe mit m Variablen und der Nebenbedingung (Gleichung 2-1 und -2) ermittelt man die notwendigen Bedingungen mit Hilfe des Lagrangeschen Multiplikators λ aus folgendem Ansatz:To solve this extreme value problem with m variables and the constraint (equations 2-1 and -2), the necessary conditions are determined using the Lagrangian multiplier λ from the following approach:

Dieser Ansatz gilt für eine unabhängige Steuerung der Phasenströme. Eine weitere Zusatzbedingung, zum Beispiel die ForderungThis approach applies to independent control the phase currents. Another additional condition to Example the claim

erfordert die Einführung eines weiteren Lagrangeschen Multiplikators. Durch diese Zusatzbedingung kann jedoch die Verlustleistung ansteigen.requires introduction another Lagrangian multiplier. By however, this additional condition can affect the power loss increase.

Hieraus gewinnt manYou win from this

undand

Gleichung (-6) eingesetzt in die Drehmomentgleichung (-1) führt zuEquation (-6) inserted in the torque equation (-1) leads to

Der Langrangesche Multiplikator ist somit bestimmt durchThe Langrangian multiplier is thus determined by

Aus den Beziehungen (-6) und (-8) erhält man die gewünschten Stromgleichungen der Phasen k=1 . . . m zur Reduktion der elektromagnetischen Drehmomentschwankungen:The desired current equations of the phases k = 1 are obtained from the relationships (-6) and (-8). . . m to reduce the electromagnetic torque fluctuations:

Diese Phasenströme können in einem rechnergesteuerten Motorprüfstand (der später noch erläutert wird) nach dem Flußdiagramm nach Fig. 2 ermittelt werden. Für das Beispiel eines 2poligen elektronisch kommutierten Motors mit vier Phasen sind die Stromkurvenformen zur Reduktion der elektromagnetischen Drehmomentschwankung ermittelt worden. Es wurde hierbei ein Motor als Beispiel ausgewählt, der sowohl sehr hohe elektromagnetische als auch permanentmagnetische Drehmomentpulsationen aufweist.These phase currents can be determined in a computer-controlled engine test bench (which will be explained later) according to the flow chart in FIG. 2. For the example of a 2-pole electronically commutated motor with four phases, the current waveforms for reducing the electromagnetic torque fluctuation have been determined. As an example, a motor was selected that has both very high electromagnetic and permanent magnetic torque pulsations.

Die Phasenspannungscharakteristik für eine Phase des Motors ist in Fig. 3 gezeigt. Die induzierten Spannungen wurden bei sehr hoher Drehzahl (5000 U/min) aufgenommen, so daß Störeinflüsse aufgrund von Drehzahlschwankungen vernachlässigbar sind. Falls diese Messungen bei niedrigeren Drehzahlen vorgenommen werden müssen, so wäre eine zusätzliche Schwungmasse erforderlich. Wird dieser Motor mit den nach dem Flußdiagramm nach Fig. 2 bestimmten Phasenstromkurven gespeist, so ergibt sich ein sehr gleichmäßiger Drehmomentverlauf ohne Schwankungen. Eventuelle Reststörungen können durch eine Messung entdeckt werden und durch entsprechend angepaßte Stromkurven in einem zweiten Schritt oder in zusätzlichen nachfolgenden Schritten eliminiert werden.The phase voltage characteristic for one phase of the motor is shown in FIG. 3. The induced voltages were recorded at a very high speed (5000 rpm), so that disturbances due to speed fluctuations are negligible. If these measurements have to be made at lower speeds, an additional flywheel would be required. If this motor is fed with the phase current curves determined according to the flow diagram according to FIG. 2, the torque curve is very uniform without fluctuations. Any residual disturbances can be detected by a measurement and eliminated by appropriately adapted current curves in a second step or in additional subsequent steps.

Neben dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Berechnung der Motorphasenströme ist es auch möglich, ein Verfahren anzuwenden, das auf der harmonischen Analyse beruht. Zur Kompensation der einzelnen Drehmomentoberschwingungen wird die Ordnungszahl der Stromharmonischen so bestimmt, daß diese mit der größten Spannungsharmonischen (Grundharmonische) zusammenwirken. Die dabei auftretenden Störmomente, die aus der Wechselwirkung der berechneten Stromharmonischen mit Spannungskomponenten entstehen, deren Ordnungszahl von der Grundharmonischen abweicht, werden berechnet und durch einen iterativen Korrekturprozeß schrittweise eliminiert.In addition to the method for Calculation of motor phase currents it is also possible apply a procedure based on the harmonic Analysis based. To compensate for the individual Torque harmonics becomes the atomic number the current harmonic so determined that those with the greatest voltage harmonics (fundamental harmonics) work together. The occurring Interference moments resulting from the interaction of the calculated Current harmonics with voltage components arise, whose atomic number of the Fundamental harmonics deviate, are calculated and through an iterative correction process step by step eliminated.

Ein Vergleich der beiden Berechnungsmethoden zeigt, daß praktisch die gleichen Ergebnisse erzielt werden, wobei die schnellere und in der Lösungsstruktur einfachere Methode das direkte, zuerst beschriebene Verfahren ist.A comparison of the two calculation methods shows that practically the same results are achieved being the faster and in the solution structure simpler method the direct one described first Procedure is.

Das permanentmagnetische Rastmoment aus der Drehmomentgleichung (Gl. 1-15) ist eine Funktion des Rotorwinkels δ.The permanent magnetic cogging torque from the torque equation (Eq. 1-15) is a function of the rotor angle δ .

T _r = T _r (δ ); (3-1) T _r = T _r (δ ) ; (3-1)

Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Drehmomentpulsationen ist dieser Teil stromunabhängig. Die Bestimmung des Momentenverlaufs kann über eine Feldberechnung oder direkt über eine Messung erfolgen. Der Weg über die (numerischen) Feldberechnungen führt aus den bereits erwähnten Gründen teilweise zu sehr unsicheren Ergebnissen. Hinzu kommt die Unkenntnis der Vorgeschichte der Rotormagnete, die infolge zu hoher thermischer Belastung oder zu großer Ankerrückwirkung bereits partiell teilentmagnetisiert sein können. Die Auswirkung dieser Effekte werden bei einer Drehmomentmessung direkt miterfaßt. Zwei Verfahren bieten sich zur Drehmomentmessung an: In contrast to the electromagnetic torque pulsations this part is independent of current. The Determination of the torque curve can be done using a Field calculation or directly via a measurement respectively. The route via the (numerical) field calculations leads from those already mentioned Reasons sometimes lead to very uncertain results. Added to this is the ignorance of the prehistory of Rotor magnets that are too high due to thermal Load or excessive anchor reaction already can be partially demagnetized. The The effects of these effects are Torque measurement recorded directly. Two procedures are suitable for torque measurement:

Tabelle table

Vergleich zweier Meßprinzipien für die Erfassung des Stillstandsmoments Comparison of two measuring principles for the detection of the standstill moment

Die Funktionsblöcke der beiden Varianten sind in den Fig. 4 und 5 einander gegenübergestellt. Ein Vergleich der vorstehenden Tabelle führt zu dem Resultat, daß je nach Schwerpunkt der Prioritäten beide Verfahren ihre Berechtigung haben.The functional blocks of the two variants are compared to one another in FIGS. 4 and 5. A comparison of the above table leads to the result that depending on the focus of the priorities, both methods are justified.

Für die nachfolgende Beschreibung wird das Verfahren der dynamischen Drehmomentmessung gewählt. Weitere Einzelheiten zu dem Prüfstand sind einer Patentanmeldung mit dem Titel "Meß- und Prüfstand für elektromechanische Wandler" (gleicher Erfinder, gleicher Anmelder, gleicher Anmeldetag) zu entnehmen.For the description below, the procedure is dynamic torque measurement. More details about the test bench are one Patent application entitled "Measuring and test stand for electromechanical transducers "(same inventor, same applicant, same filing date) remove.

Die Herleitung des Gleichungssystems für die Kompensation des permanentmagnetischen und mechanischen Drehmomentanteils beginnt mit der Darstellung der dynamischen Bewegungsgleichung für das Meßsystem nach Fig. 5. Der Antriebsservomotor wird über eine regelbare Spannungsquelle so gesteuert, daß bei möglichst kleiner Drehzahl die permanentmagnetischen Kippmomente des stromlosen Prüfmotors gerade überwunden werden. Das auftretende Moment läßt sich im stationären Zustand über den Ankerstrom des Antriebsmotors messen.The derivation of the system of equations for the compensation of the permanent magnetic and mechanical torque component begins with the representation of the dynamic equation of motion for the measuring system according to Fig. 5. The drive servo motor is controlled via a controllable voltage source in such a way that the permanent magnetic tilting moments of the currentless test motor are just overcome at the lowest possible speed will. The torque that occurs can be measured in the steady state via the armature current of the drive motor.

T = f(I( δ )); (3-2) T = f (I ( δ )) ; (3-2)

Für einen DC-Glockenankermotor mit sehr hoher Kollektorlamellenzahl ist der Zusammenhang zwischen Moment und Ankerstrom mit sehr guter Näherung linear. Die Gleichung 3-2 vereinfacht sich unter der Verwendung der Drehmomentkonstanten k _T zu:For a DC bell-armature motor with a very high number of collectors, the relationship between torque and armature current is linear with a very good approximation. Equation 3-2 is simplified using the torque constant k _T to:

T = k _T I( δ ); (3-3) T = k _T I ( δ ) ; (3-3)

Das meßbare Drehmoment setzt sich aus drei Komponenten zusammen, die im folgenden betrachtet werden.The measurable torque consists of three Components together, considered below will.

Den ersten Term bildet das winkelabhängige Drehmoment:The first term is the angle-dependent one Torque:

T₁ = T _r (δ ); (3-4) T ₁ = T _r (δ ) ; (3-4)

Das Rastmoment T _r wird ausgelöst durch eine Überlagerung der permanentmagnetischen Momentschwankungen, der mechanischen Momentschwankungen sowie des drehzahlunabhängigen Reibungsmomentanteils.The cogging torque T _r is triggered by a superposition of the permanent magnetic torque fluctuations, the mechanical torque fluctuations and the speed-independent friction torque component.

Der zweite Term wird durch drehzahlabhängige Momentanteile bestimmt:The second term is speed dependent Determine moment shares:

Je nach Motorausführung und Betriebsbereich kann die Funktion T₂(ω ) linear oder auch stark nicht linear von der Drehzahl abhängen. Einflußgrößen sind Lager- und Bürstenreibung, Luftreibung, Wirbelstrom- und Hysteresebremsmomente.Depending on the engine version and operating range, the function T ₂ (ω ) can depend linearly or strongly non-linearly on the speed. Influencing variables are bearing and brush friction, air friction, eddy current and hysteresis braking torques.

Der dritte Term schließlich ist das Beschleunigungsmoment, abhängig vom Massenträgheitsmoment des gesamten rotierenden Systems.Finally, the third term is that Acceleration torque depending on Mass moment of inertia of the entire rotating Systems.

mit
J _p: Trägheitsmoment des Prüfmotors,
J _b: Trägheitsmoment der Bremse,
J _o: sonstige Trägheitsmomente (z. B. Kupplung, Winkelgeber).With
J _p : moment of inertia of the test motor,
J _b : moment of inertia of the brake,
J _o : other moments of inertia (e.g. coupling, angle encoder).

Die Drehmomentbilanz aus den Gleichungen (3-2, -4, -5 und -6) lautet somit:The torque balance from the equations (3-2, -4, -5 and -6) is therefore:

Umgeformt ergibt sich das winkelabhängige Rastmoment zu:The angle-dependent is transformed Cogging torque to:

Für die Kompensation der permanentmagnetischen und mechanischen Drehmomentschwankungen ist deshalb folgende Bedingungsgleichung zu erfüllen:For the compensation of the permanent magnetic and mechanical torque fluctuations is therefore to fulfill the following condition equation:

T _r ( δ ) + T _c δ ) = 0; (3-9) T _r ( δ ) + T _c δ ) = 0; (3-9)

Die Beziehung für die das elektromagnetische Kompensationsmoment T _c erzeugende Phasenströme läßt sich unter Verwendung von Gleichung (2-9) herleiten. Die exakte Lösung unter der Nebenbedingung minimaler Verluste lautet:The relationship for the phase currents generating the electromagnetic compensation torque T _c can be derived using equation (2-9). The exact solution under the condition of minimal losses is:

mit T _r (δ ) gemäß Gleichung (3-8).with T _r (δ ) according to equation (3-8).

Wie bei der Kompensation der elektromagnetischen Drehmomentschwankungen kann auch hier alternativ die Stromkurve auf der Grundlage einer harmonischen Analyse ermittelt werden.As with the compensation of the electromagnetic Torque fluctuations can also be used here as an alternative the current curve based on a harmonic Analysis can be determined.

Die Ablauffolge der Berechnung der Phasenstromkurven ist aus dem Flußdiagramm nach Fig. 6 (mit den Teilen Fig. 6a, 6b und 6c) ersichtlich. Die zur Berechnung erforderlichen Messungen am Motor werden auf einem Meß- und Prüfstand vollautomatisch durchgeführt, so daß im Anschluß daran der Motor mit der ermittelten Korrekturkurve betrieben und getestet werden kann. The sequence of the calculation of the phase current curves can be seen from the flow diagram according to FIG. 6 (with the parts of FIGS. 6a, 6b and 6c). The measurements on the engine required for the calculation are carried out fully automatically on a measuring and test stand, so that the engine can then be operated and tested with the determined correction curve.

Fig. 7 zeigt für eine Motorphase die in dem iterativen Verfahren nach dem Flußdiagramm nach Fig. 6 ermittelte Stromkurve in normierter Form zur Kompensation von permanentmagnetischen und mechanischen Drehmomentschwankungen. Die Fig. 8 und 9 zeigen Kurven für das Stillstandsdrehmoment vor bzw. nach der elektronischen Korrektur. FIG. 7 shows, for a motor phase, the current curve determined in the iterative method according to the flow diagram according to FIG. 6 in a standardized form for the compensation of permanent magnetic and mechanical torque fluctuations. FIGS. 8 and 9 show curves for the static torque before and after electronic correction.

Fig. 10 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Ansteuerung elektromechanischer Wandler, im vorliegenden Fall eines Elektromotors. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 10 enthält einen Motorcontroller 10, eine arithmetische Schaltungseinheit 20, einen Funktionsspeicher 30 sowie eine Leistungsversorgung für den Motor 3, die im vorliegenden Beispiel aus einem Stromregler 5, einer Endstufe 6, einer Gleichspannungsstromversorgung 7 und einer Strommeßvorrichtung 4 besteht. Die arithmetische Schaltungseinheit enthält zwei Multiplizierer 21 und 22 sowie eine Verknüpfungsschaltung in Form eines Akkumulators (Summierers) 23, dessen Ausgangssignal den Stromregler 5 ansteuert. Der Funktionsspeicher 30 enthält im vorliegenden Fall zwei Kurvenspeicher 31 und 32, so daß zwei verschiedene Terme berücksichtigt werden können. Sollten noch weitere Terme, z. B. zur Kompensation von reluktanten oder in andere Richtungen als die Nutzkraft oder das Nutzdrehmoment wirkende Störeinflüsse, verarbeitet werden müssen, so sind die arithmetische Schaltungseinheit 20 und der Funktionsspeicher 30 noch um die entsprechenden Elemente zu erweitern. In einem solchen Fall erfolgen die Verknüpfungen möglicherweise nicht multiplikativ und additiv, wie in Fig. 10 gezeigt, sondern gegebenenfalls durch entsprechende andere funktionelle Verknüpfungen. Fig. 10 illustrates one embodiment in a schematic representation an arrangement for controlling an electromechanical transducer, in this case an electric motor. The circuit of Fig. 10 includes an engine controller 10, an arithmetic circuit unit 20, a function memory 30 and a power supply for the motor 3, which is composed of a current controller 5, a power amplifier 6, a DC power supply 7 and a current measuring device 4 in the present example. The arithmetic circuit unit contains two multipliers 21 and 22 and a logic circuit in the form of an accumulator (summer) 23 , the output signal of which controls the current regulator 5 . The function memory 30 contains two curve memories 31 and 32 in the present case, so that two different terms can be taken into account. Should other terms, e.g. B. to compensate for reluctant or in other directions acting as the useful force or the useful torque disturbing influences have to be processed, the arithmetic circuit unit 20 and the functional memory 30 are still to be expanded by the corresponding elements. In such a case, the links may not be multiplicative and additive, as shown in FIG. 10, but, if necessary, by corresponding other functional links.

Auch wenn in der Schaltungsanordnung nach Fig. 10 in dem Funktionsspeicher 30 pro Einflußgröße nur je ein Speicherabschnitt 31, 32 gezeigt sind, so kann jeder der Speicherabschnitte in mehrere Teile untergliedert sein, damit pro Einflußgröße verschiedene Datensätze gespeichert werden können. Diese verschiedenen Datensätze werden dann durch eine Eingangsgröße 33 ausgewählt.Even if only one memory section 31, 32 is shown in the functional memory 30 for each influencing variable in the circuit arrangement according to FIG. 10, each of the memory sections can be divided into several parts so that different data records can be stored for each influencing variable. These different data records are then selected by an input variable 33 .

Der Motorcontroller 10 enthält im vorliegenden Fall eine Drehmomentsteuerung 11, einen Drehzahlregler 12 und einen Positionsregler 13, deren Ausgangssignale über einen Umschalter wahlweise an einen Eingang 25 der arithmetischen Schaltungseinheit 20 gelegt werden, sowie eine Drehzahl- und Drehrichtungserkennung 14. Darüber hinaus ist noch ein Eingang 24 für die arithmetische Schaltungseinheit vorgesehen. Der Motor 3 ist mit einem Winkelencoder 2 gekuppelt, um sowohl für den Funktionsspeicher 30 als auch für den Motorcontroller 10 entsprechende Winkelpositionssignale zu liefern.In the present case, the motor controller 10 contains a torque control 11 , a speed controller 12 and a position controller 13 , the output signals of which are optionally applied to an input 25 of the arithmetic circuit unit 20 via a changeover switch, and a speed and direction of rotation detection 14 . In addition, an input 24 is also provided for the arithmetic circuit unit. The motor 3 is coupled to an angle encoder 2 in order to deliver corresponding angular position signals for the function memory 30 as well as for the motor controller 10 .

Stellvertretend für eine Vielzahl von Korrektur- oder Steuergliedern (Eingangsgrößen) ist der Eingang 26 oder 27 gezeichnet für eine mögliche Bewertung der Multiplikationsfaktoren 24 bzw. 25. Die Eingangsgröße 33 entscheidet über die Auswahl spezieller Kurven zur Berücksichtigung verschiedener Betriebszustände (nichtlinearer Betrieb aufgrund Eisensättigung und Ankerrückwirkung, Temperatur) und Motorbetriebsarten (z. B. gleichförmiger Betrieb oder pulsierender Betrieb als Schrittmotor). Representing a large number of correction or control elements (input variables), the input 26 or 27 is drawn for a possible evaluation of the multiplication factors 24 or 25 . The input variable 33 decides on the selection of special curves to take into account different operating states (non-linear operation due to iron saturation and armature reaction, temperature) and motor operating modes (e.g. uniform operation or pulsating operation as a stepper motor).

Folgende Eingangsgrößen sind für die Schaltungsanordnung interessant: Stellgrößen für die Amplituden der gespeicherten nominierten Kurven oder des Kurvengenerators, gegebenenfalls eine Signalgröße, die das Auslesen der Kurven zeitabhängig oder in Abhängigkeit der Rotorstellung ermöglicht, Steuer- oder Signalgrößen zur Auswahl der Kurven und eventuell zur Veränderung der Kurvenform insbesondere bei nichtlinearer Motorcharakteristik, wo entsprechend dem Betriebszustand die Kurvenform anzupassen ist. Weiterhin können beispielsweise noch Steuergrößen für eine arithmetische Schaltungseinheit 20 auftreten, die den Ablauf der Verknüpfung von Stellgrößen und Kurven steuern oder die Verknüpfungsfunktion entsprechend dem Betriebszustand des Motors ändern. Als Ausgangsgrößen entstehen digitale, analoge oder sonstige Signalgrößen, die gegebenenfalls über einen Leistungssteller, definierte Ströme oder Spannungen den Motorphasen einprägen, um die Rundlaufgüte des Motors oder allgemein die Betriebscharakteristik zu verbessern.The following input variables are of interest for the circuit arrangement: manipulated variables for the amplitudes of the stored nominated curves or the curve generator, possibly a signal variable that enables the curves to be read out depending on the time or depending on the rotor position, control or signal variables for selecting the curves and possibly for changing the curves Curve shape especially with non-linear motor characteristics, where the curve shape has to be adjusted according to the operating state. Furthermore, control variables for an arithmetic circuit unit 20 can also occur, for example, which control the sequence of the linking of manipulated variables and curves or change the linking function in accordance with the operating state of the engine. The output variables are digital, analog or other signal quantities which, if necessary, impress the motor phases via a power controller, defined currents or voltages in order to improve the concentricity of the motor or generally the operating characteristics.

Im Funktionsspeicher 30 sind die Daten für Kurven abgelegt, die zur Kompensation der einzelnen Drehmomentschwankungsarten führen. Die Daten können in Form von Tabellen, Vorschriften (z. B. Begrenzung der maximalen Stromamplitude), Gleichungen oder Funktionen abgespeichert werden. Je nach Symmetrie des magnetischen und elektrischen Kreises ist es nötig, die Kurven für alle Phasen getrennt oder nur je eine Kurve pro Drehmomentschwankungsart abzulegen. Im letzteren Fall werden die Kurven um den Phasenverschiebungswinkel versetzt ausgelesen. An die Stelle der Funktionsspeicher 30 können auch Kurvengeneratoren treten, die die definierten Kurven erzeugen. The data for curves which lead to the compensation of the individual types of torque fluctuations are stored in the function memory 30 . The data can be saved in the form of tables, regulations (e.g. limitation of the maximum current amplitude), equations or functions. Depending on the symmetry of the magnetic and electrical circuit, it is necessary to store the curves separately for all phases or only one curve per torque fluctuation type. In the latter case, the curves are read offset by the phase shift angle. The function memory 30 can also be replaced by curve generators which generate the defined curves.

Eine arithmetische Schaltungseinheit 20 verknüpft nun die zeit- oder rotorwinkelabhängig zur Verfügung gestellten Kurvenamplituden mit den Eingangsstellgrößen nach definierten Funktionen. Im vorliegenden Fall sind die Verknüpfungsglieder 21, 22 bzw. Addierglieder 23; für die Berücksichtigung anderer Einflußgrößen sind jedoch u. U. andere Verknüpfungen notwendig.An arithmetic circuit unit 20 now links the curve amplitudes provided as a function of time or rotor angle with the input manipulated variables according to defined functions. In the present case, the link elements 21, 22 and adder elements 23 ; for taking other influencing factors into account, however, Other links may be necessary.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 10 werden die für eine Rotorumdrehung berechneten Stromkurvenwerte der einzelnen Phasen zur Reduktion der elektromagnetischen Drehmomentschwankung (Kurvenspeicher 32) und der permanentmagnetischen einschließlich der mechanischen Schwankung (Kurvenspeicher 31) getrennt und in normierter Form abgelegt.In the circuit arrangement according to FIG. 10, the current curve values calculated for a rotor revolution of the individual phases for reducing the electromagnetic torque fluctuation (curve memory 32 ) and the permanent magnetic including mechanical fluctuation (curve memory 31 ) are separated and stored in a standardized form.

Entsprechend dem Rotorwinkel ϕ wird die Stromkurve des Kurvenspeichers 31 ausgelesen und mit einer Stromamplitude i _A (Eingang 24) multipliziert. Die Amplitude i _A ist so gewählt, daß die permanentmagnetischen Drehmomentschwankungen minimal werden. Auch die Amplitude i _A ist im abgespeicherten Datensatz enthalten. Bei Motoren mit ungesättigtem Eisenkreis und vernachlässigbarer Ankerrückwirkung kann die Amplitude konstant gehalten werden. Anderenfalls ist der Wert entsprechend den Gegebenheiten nachzuführen. Die auf diese Weise erzeugte Stromkurve fließt unverändert in die einzelnen Phasenwicklungen, unabhängig vom Betriebszustand des Motors und kompensiert somit die permanentmagnetisch und mechanisch verursachten Drehmomentpulsationen.In accordance with the rotor angle φ is read out, the power curve of the curve memory 31 and multiplied by a current amplitude i _A (input 24). The amplitude i _A is chosen so that the permanent magnetic torque fluctuations are minimal. The amplitude i _A is also contained in the stored data set. For motors with an unsaturated iron circuit and negligible armature reaction, the amplitude can be kept constant. Otherwise, the value must be updated according to the circumstances. The current curve generated in this way flows unchanged into the individual phase windings, regardless of the operating state of the motor and thus compensates for the permanent magnetically and mechanically caused torque pulsations.

Unter der Voraussetzung, daß der Motor eine lineare Strom-Drehmomentcharakteristik besitzt, was bei permanentmagneterregten Motoren in der Regel gegeben ist, kann nun der StromkurveAssuming that the motor is linear Current-torque characteristic has what at motors usually given permanent magnet excitation is now the current curve

i _permanent = i _A A( ϕ) i _permanent = i _A A ( ϕ )

die eigentliche Betriebskurve additiv überlagert werden. Sie entsteht durch das Produkt aus der Regler-Stromamplitude mit der für die Kompensation der elektromagnetischen Drehmomentschwankungen bestimmten Stromkurve B (ϕ):the actual operating curve can be additively superimposed. It results from the product of the controller current amplitude with the current curve B (ϕ) intended for the compensation of the electromagnetic torque fluctuations:

i _el-magn = i _B B (ϕ) i _el-magn = i _B B (ϕ)

Zeigt der betreffende Motor ein nichtlineares Verhalten, so ist es zweckmäßig, verschiedene Kurven pro Drehmomentschwankungsart für verschiedene Betriebsbereiche einzusetzen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man abhängig vom Betriebszustand des Motors einen Kurvenauswahlschalter realisiert, der über einen Eingang 33 die entsprechenden Abschnitte der Speicherabschnitte 31, 32 usw. auswählt. Oder die Kurven werden geeignet verändert, so daß sie besser an den jeweiligen Betriebszustand angepaßt sind. Eine Anpassung kann aber auch über eine Veränderung der Eingangsstellgrößen 26, 27 erfolgen.If the motor in question shows non-linear behavior, it is advisable to use different curves for each type of torque fluctuation for different operating ranges. This can be done, for example, by implementing a curve selection switch depending on the operating state of the engine, which selects the corresponding sections of the memory sections 31 , 32 etc. via an input 33 . Or the curves are changed appropriately so that they are better adapted to the respective operating state. However, an adjustment can also be made by changing the input manipulated variables 26, 27 .

Für den Fall, daß die reluktanten Drehmomentschwankungen oder noch andere Einflüsse nicht vernachlässigbar sind, kann der Schaltung nach Fig. 10 noch ein dritter Pfad oder noch weitere Pfade, bestehend aus einem zusätzlichen Speicherabschnitt und einem Verknüpfungsglied (nicht gezeigt), hinzugefügt werden, der die Reduktion der reluktanten Schwankungen durch entsprechende Stromverläufe erlaubt. In the event that the reluctant torque fluctuations or other influences are not negligible, a third path or further paths, consisting of an additional memory section and a logic element (not shown), can be added to the circuit according to FIG. 10, which the Reduction of the reluctant fluctuations allowed by appropriate current profiles.

Aus der eingangs angeführten Drehmomentengleichung geht hervor, daß dieser Term von den Selbst- und Gegeninduktivitäten sowie von den einzelnen Phasenströmen abhängig sein kann. Es ist möglich, die nötige Information für die Stromkurvengenerierung als Datensätze in Form von Tabellenwerten, Vorschriften, Gleichungen oder Funktionen abzulegen oder die Information direkt aus dem jeweiligen Betriebszustand zu errechnen.From the torque equation given at the beginning shows that this term of the self and Mutual inductances and of the individual phase currents can be dependent. It is possible to have the necessary Information for the current curve generation as Data records in the form of table values, regulations, To store equations or functions or the information directly from the respective operating status to calculate.

Die Realisation der elektrischen Schaltung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Sie kann beispielsweise rein hardwaremäßig aus analogen und/oder digitalen Bausteinen aufgebaut sein, oder sie kann auch softwaremäßig durch ein Rechnerprogramm realisiert werden. Der elektrischen Schaltung kann nun zusätzlich eine Momentensteuerung sowie eine Positions-, Drehzahl- oder Beschleunigungsregelung überlagert werden. Im gezeigten Fall hat die Gesamtschaltung die Struktur einer Kaskadenregelung. Dem Positionsregler 13 ist im Motorcontroller 10 intern ein Drehzahlregler 12 und diesem extern ein Stromregler 5 unterlagert.The electrical circuit can be implemented in various ways. For example, it can be constructed purely in terms of hardware from analog and / or digital components, or it can also be implemented in software using a computer program. A torque control and a position, speed or acceleration control can now be superimposed on the electrical circuit. In the case shown, the overall circuit has the structure of a cascade control. A speed controller 12 is internally subordinate to the position controller 13 in the motor controller 10 and a current controller 5 is subordinate to this externally.

Der wesentliche Unterschied zu anderen Positions-, Drehzahl-, Beschleunigungs- und Momentenregelungen liegt darin begründet, daß aufgrund der gewählten Stromkurvensteuerung eventuelle Momentenschwankungen bereits im Ansatz unterdrückt und somit die überlagerten Regelkreise sehr stark entlastet werden. Die Regler sind lediglich noch für eine Feinkorrektur auszulegen. Für die Einprägung eines Drehmoments kann ein Regler ganz entfallen. The main difference to other position, Speed, acceleration and torque controls is based on the fact that based on the chosen Current curve control possible torque fluctuations suppressed in the beginning and thus the superimposed control loops can be relieved very much. The controls are only for a fine correction to interpret. For impressing a torque a controller can be omitted entirely.

Durch diese vorgestellten Maßnahmen wird das Betriebsverhalten des Motors bezüglich Momenten- und somit auch Drehzahlschwankungen wesentlich verbessert. Weitere Verbesserungen sind geringere Geräuschentwicklung, besserer Wirkungsgrad und geringere Betriebstemperaturen.Through these measures presented the operational behavior of the engine in terms of torque and thus speed fluctuations significantly improved. Further improvements are minor Noise development, better efficiency and lower operating temperatures.

Die vorgeschlagene elektronische Schaltung eignet sich zur Ansteuerung von Motoren mit beliebigen Stromkurven. Fügt man parallel zum Winkelencoder 2 einen zusätzlichen in der Frequenz steuerbaren Pulsgenerator hinzu, so eignet sich diese Schaltung für den universellen Betrieb von allen elektrischen Kleinmotorenarten, also auch für fremdgesteuerte und nicht positionsgesteuerte Motoren, wie allgemeine Synchronmotoren, Schrittmotoren, Asynchronmotoren etc. Für den rückgekoppelten Betrieb schaltet man den Winkelencoder 2 und für den gesteuerten Betrieb den Pulsgenerator in den elektrischen Kreis.The proposed electronic circuit is suitable for controlling motors with any current curve. If you add an additional pulse generator with frequency control in parallel to the angle encoder 2 , this circuit is suitable for universal operation of all types of small electric motors, i.e. also for externally controlled and non-position-controlled motors such as general synchronous motors, stepper motors, asynchronous motors etc. For the feedback Operation one switches the angle encoder 2 and for the controlled operation the pulse generator in the electrical circuit.

Die Fig. 11a, 11b und 11c zeigen nun für eine Phase Stromkurven zur Erzielung verschiedener Konstant- Nenndrehmomente, wie sie z. B. mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 10 an den Motor 3 gelegt werden. Diese Kurven berücksichtigen beide Anteile von Drehmomentschwankungen, nämlich die elektromagnetischen und die permanentmagnetischen Schwankungen. Es werden Phasenstromkurven für drei verschiedene Betriebszustände des Motors 3 gezeigt, und zwar für den stromlosen Zustand (Fig. 11a) für einen Strom von 0,1 A (Fig. 11b) und für einen Strom von 0,5 A (Fig. 11c). Es ergibt sich dabei ein sehr gleichmäßiger Drehmomentverlauf ohne Schwankungen.11a, 11b and 11c now show current curves for one phase in order to achieve various constant nominal torques, such as those shown in FIG . B. by means of the circuit arrangement according to FIG. 10 to the motor 3 . These curves take into account both parts of torque fluctuations, namely the electromagnetic and the permanent magnetic fluctuations. Phase current curves for three different operating states of the motor 3 are shown, namely for the de-energized state ( FIG. 11a) for a current of 0.1 A ( FIG. 11b) and for a current of 0.5 A ( FIG. 11c) . The result is a very even torque curve without fluctuations.

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Claims

1. Method for controlling electromechanical converters for the purpose of generating a predetermined force or torque curve, in particular for reducing angle-dependent torque fluctuations in electric motors.
in which time or position-dependent (path or angle of rotation dependent) data records are stored in a function memory, which are called up depending on the distance or angle of rotation traveled during operation or are time-controlled and linked in an arithmetic circuit unit with an input variable to instantaneous values, and
where, depending on the instantaneous values, voltages or currents with a corresponding time or position-dependent curve shape are impressed into the electrical connections of the converter,
characterized by
that several different data records, taking into account various influences, determined from the force or torque curve of the converter and possibly a connected load, are stored in the functional memory, in particular in the form of tables, regulations, equations or functions,
that these data records are retrieved from the function memory as a function of position or as a function of time, and are linked in sets according to the influences with at least one input variable and
that these linkage results obtained in this way are combined to form the position-dependent or time-dependent instantaneous values.

2. The method according to claim 1 for controlling electromagnetic transducers, characterized in that at least two of the following variables influencing the force or torque profile of the transducer and, if applicable, the connected load are taken into account:

a) electromagnetic influences,
b) reluctant influences,
c) permanent magnetic influences,
d) mechanical influences (in the converter and possibly also the connected load).

3. Method for controlling electromagnetic converters for the purpose of generating a predetermined force or torque curve, in particular for reducing angle-dependent torque fluctuations in electric motors.
in which position-dependent (path or angle of rotation dependent) data records are stored in a function memory, which are called up depending on the distance or angle of rotation traveled during operation or are time-controlled and linked in an arithmetic circuit unit with an input variable to instantaneous values, and
where, depending on the instantaneous values, voltages or currents with a corresponding time- or position-dependent curve shape are impressed into the electrical connections of the converter, characterized in that
that a data set determined from the force or torque curve of the converter and taking the permanent magnetic influences of the converter into account is stored in the functional memory,
that this data record is retrieved from the function memory as a function of position or time and is linked to at least one input variable and
that these linkage results obtained in this way represent the positional or time-dependent instantaneous values.

4. Method for controlling electromechanical converters for the purpose of generating a predetermined force or torque curve, in particular for reducing angle-dependent torque fluctuations in electric motors.
in which position-dependent (path or angle of rotation dependent) data records are stored in a function memory, which are called up depending on the distance or angle of rotation traveled during operation or are time-controlled and linked in an arithmetic circuit unit with an input variable to instantaneous values, and
where, depending on the instantaneous values, voltages or currents with a corresponding time or position-dependent curve shape are impressed into the electrical connections of the converter,
characterized,
that, in the function memory, a data set or time-dependent data set which is determined from the force or torque curve of the converter and possibly the connected load and takes account of the mechanical influences is retrieved from the function memory and linked to at least one input variable, and
that these linkage results obtained in this way represent the positional or time-dependent instantaneous values.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that not only one Imprinting of current or voltage components for the desired useful force or for the useful moment takes place, but also an impression of current or voltage components for the Compensation of disturbing forces or disturbing torques, whose directions differ from the direction of the Differentiate useful force or the useful torque.

6. The method according to claim 5 for an electric motor, characterized in that the impression of this the interference forces or interference torques in others Voltages or directions Currents at least in part through additional windings he follows.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the force or Torque curve of the converter and if necessary data records taking into account the load only from the given construction and material data will.

8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the force or Torque curve of the converter and if necessary data records taking into account the load on one Pattern of measured parameters and / or characteristic curves be calculated.

9. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the force or Torque curve of the converter and if necessary data records taking the load into account by measuring runs to optimize in order to achieve the given Force or torque curve of a Pattern determined on a measuring and test bench will.

10. The method of claim 7, 8 or 9 in conjunction with claim 2 or 4, characterized in that in addition to the Influences of the converter still the influences of a load coupled with the converter is taken into account will.

11. The method according to one or more of the claims 1 to 10, characterized in that at least one of the Input variables a constant or in operating states such as non-linear converter characteristics, Iron saturation, anchor reaction etc. this one Size is adjusted to effects.

12. Method according to one or more of the Claims 1 to 10, characterized in that at least one of the Input variables a reference variable, e.g. B. for a Force, torque, speed, acceleration and / or position regulation or control.

13. method according to 11 or 12, characterized in that the input variables are switchable.

14. The method according to one or more of the above Expectations, characterized in that several per influence Records are provided by another Input variable depending on the operating state, in particular to take into account non-linear Transducer characteristics, iron saturation, armature feedback etc., and / or to change the operating behavior of the converter can be selected.

15. Arrangement for performing the method according to one or more of the preceding claims, characterized by
a functional memory with one memory section per influence to be considered for storing the assigned data record,
an arithmetic circuit unit for linking data records read from the memory sections with at least one input variable each and for combining the linking results into instantaneous values,
a position or timer assigned to the electromechanical converter for controlling the position or time-dependent reading of the data in the functional memory and
a power controller for impressing voltages or currents into the electrical connections of the converter according to the instantaneous values.

16. Arrangement according to claim 15, characterized in that the arithmetic circuit unit Multiplication links to link of the read data records with at least each an input variable and addition / subtraction terms to summarize unrated or evaluated that contains multiplication results.

17. The arrangement according to claim 15 or 16 for a multi-phase converter, characterized in that
that corresponding data sets are stored for each of the individual phases and corresponding instantaneous values are derived in connection with the input variables and
that corresponding functional memories, arithmetic circuit units and power controllers are provided for each of the individual phases or that they are operated in time-division multiplex.

18. Arrangement according to claim 15 or 16 for a multi-phase converter, characterized in that
that common data records are stored for all phases and
that these data sets are read out of phase for the individual phases and are linked by the arithmetic circuit unit (s) in connection with the input variables to instantaneous values for the individual phases.

19. The arrangement according to claim 15 or 16 for a multi-phase converter, characterized in that
that common data sets are stored for all phases and common instantaneous values are derived from them and
that a phase shifter unit is provided which derives from the common instantaneous values the instantaneous values shifted by the corresponding phase angle for all phases.